CN116203584A - 非接触式的喷射混凝土回弹率测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种非接触式的喷射混凝土回弹率测试方法，具体包括如下步骤：S1、通过激光雷达扫描混凝土喷射前的待施工区段隧道壁，获取激光点云1；S2进行喷射混凝土施工，同时制备密度测量试件，基于密度测量试件测量喷射后混凝土的密度值ρ；S3、通过激光雷达扫描混凝土喷射后的待施工区段隧道壁，获得激光点云2；S4、对激光点云1、激光点云2进行点云降采样后，形成激光点云3和激光点云4；S5、分别对激光点云3、激光点云4进行建模，两个模型体积的差值即为附着到隧道壁上的喷射混凝土体积v，进而计算喷射混凝土的回弹率。本发明采用三维激光扫描技术进行非接触测量，无需铺设帆布称重；基于混凝土质量占比，而非混凝土体积占比来计算喷射混凝土回弹率，避免了同质量混凝土在喷射前后的体积变化影响。

Description

非接触式的喷射混凝土回弹率测试方法及装置

技术领域

本发明属于混凝土喷射技术领域，更具体地，本发明涉及一种非接触式的喷射混凝土回弹率测试方法及装置。

背景技术

喷射混凝土是利用压缩空气将水泥、砂石等混合材料喷射至受喷面并迅速凝结硬化的混凝土，具有施工效率高、工艺简捷、支护加固效果好、适应性强、经济技术效益显著等诸多优点，是隧道工程修建中的重要隧道支护措施。然而，施工中喷射混凝土回弹率普遍较大，不但导致原材料浪费大，影响施工进度，还需增加废弃混凝土处理的成本，增加环境负荷。

论文《基于三维激光扫描的隧道喷射混凝土回弹测定》使用地面式三维激光扫描仪器测量喷射到隧道上的混凝土的体积V_j，用V_j与施工过程中喷射混凝土的总体积V_总的比值作为回弹率。该方法采用存在以下问题：(1)同质量的混凝土在施工前后体积发生变化，故体积难以代表混凝土用量；且拌合站通常按照重量来称取原材料制备混凝土，难以获得V_总准确数值；(2)该方法假定某段里程间开挖面喷射混凝土体积等于N个断面喷射混凝土面积之和，故断面间距较小时需处理的点云断面较多，内业工作量大；断面间距较大时不能代表该段里程内喷射混凝土的真实情况。

发明内容

本发明提供一种非接触式的喷射混凝土回弹率测试方法，旨在改善上述问题。

本发明是这样实现的，一种非接触式的喷射混凝土回弹率测试方法，所述方法具体包括如下步骤：

S1、通过激光雷达扫描混凝土喷射前的待施工区段隧道壁，获取激光点云1；

S2进行喷射混凝土施工，同时制备密度测量试件，基于密度测量试件测量喷射后混凝土的密度值ρ；

S3、通过激光雷达扫描混凝土喷射后的待施工区段隧道壁，获得激光点云2；

S4、对激光点云1、激光点云2进行点云降采样后，形成激光点云3和激光点云4；

S5、分别对激光点云3、激光点云4进行建模，两个模型体积的差值即为附着到隧道壁上的喷射混凝土体积v，进而计算喷射混凝土的回弹率。

进一步的，激光点云1的降采样方法具体如下：

1)将激光点云1中的坐标投影至世界坐标系，将隧道设计轮廓导入世界坐标；

2)读取激光点云1中所有点在世界坐标系下的坐标，遍历取激光点云1中所有点，将各个点P_i投影至隧道设计轮廓上，获取点P_i在隧道设计轮廓上的投影点P_i′到隧道左侧拱脚的曲线长度x_i、点P_i的隧道里程y_i、点P_i到隧道设计轮廓面的最小距离z_i；

3)建立空间直角坐标系，生成点P_i的映射点Q_i(x_i,y_i,z_i)，遍历所有点P_i，最终形成点云Q；

4)遍历点云Q所有点Q_i(x_i,y_i,z_i)，在点云Q中去除|z_i|≥z₀的点，z₀为设定的阈值；

5)对点云Q进行抽稀，将剩余的有效点存入数组{Q_i}。

6)从激光点云1中筛选出与数组{Q_i}各点Q_i对应的点P_i，删除其余点，获取降采样后的激光点云1。

进一步的，在步骤S1之前还包括：

S1、喷射混凝土预施工：在正式施工前制备少量混凝土进行试运输和试喷射。

进一步的，密度测量试件的制备过程具体如下：

将混凝土大板试模沿待施工区段隧道侧壁倾斜靠放，在湿喷机作业状态稳定时，对准混凝土大板试模喷射，形成混凝土试件。

进一步的，混凝土大板试模为多个，沿待施工区段隧道侧壁倾斜靠放在不同的位置。

进一步的，喷射后混凝土密度值ρ确定方法具体如下：

测试各个混凝土试件的密度，所有混凝土试件的平均密度即为喷射后混凝土的密度值。

进一步的，喷射混凝土的回弹率k计算公式具体如下：

其中，m为喷射前混凝土的总质量，ρ为喷射后混凝土密度值，v为喷射混凝土体积。

进一步的，在步骤S0之前，步骤S1之后还包括如下步骤：

混凝土制备与称重，记录出站前的混凝土总质量为m。

本发明是这样实现的，一种非接触式的喷射混凝土回弹率测试装置，，所述装置包括：

设于搭载有激光雷达的无人机，与激光雷达通讯连接的处理器；

在混凝土喷射前，控制无人机沿设定路线来扫描待施工区段隧道壁，获取的激光点云1，在混凝土喷射后，控制无人机沿设定路线来扫描施工区段隧道壁，获得激光点云2，将激光点云1和激光点云2发送至处理器，处理器基于上述非接触式的喷射混凝土回弹率测试方法来获取喷射混凝土的回弹率。

本发明提供的非接触式的喷射混凝土回弹率测试方法具有如下有益技术效果：

(1)本发明采用三维激光扫描技术进行非接触测量，无需铺设帆布称重；

(2)本发明基于混凝土质量占比，而非混凝土体积占比来计算喷射混凝土回弹率，避免了同质量混凝土在喷射前后的体积变化影响；

(3)本发明提出的隧道点云降采样新方法，首先按照各点到隧道设计轮廓面最小距离保持不变的原则，将筒状隧道实测点云P转换成易于处理的新点云Q，其次通过不规则三角网加密的方法对新点云Q进行降采样处理，最后根据一一映射关系从实测点云P中去除冗余点和噪声点，提高喷射混凝土体积的测量精度，进而提高喷射混凝土回弹率的计算精度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的非接触式的喷射混凝土回弹率测试方法流程图；

图2为本发明实施例提供的激光点云中各点在隧道设计轮廓上投影过程平面示意图；

图3为本发明实施例提供的激光点云中各点在隧道设计轮廓上投影过程的三维示意图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

图1为本发明实施例提供的非接触式的喷射混凝土回弹率测试方法流程图，该方法具体包括如下步骤：

S1、喷射混凝土预施工：为降低混凝土粘附在运输罐车和湿喷机内导致的质量误差，在正式施工前制备少量混凝土进行试运输和试喷射，确保混凝土对施工机具内壁进行了充分浸润，从而将混凝土粘附在施工机具内壁的损耗降到最低。

S2、混凝土制备与称重：拌合站拌制所需的混凝土，记录出站前混凝土的总质量为m；

S3、通过激光雷达扫描混凝土喷射前的待施工区段隧道壁，获取激光点云1；

喷射前，使用搭载有激光雷达模块的无人机对待施工区段的隧道壁进行完整扫描。

S4、进行喷射混凝土施工，同时制备密度测量试件，基于密度测量试件测量喷射后混凝土的密度值ρ；

在本发明实施例中，密度测量试件的制备过程具体如下：

将若干混凝土大板试模沿待施工区段隧道侧壁倾斜靠放在不同的位置，在湿喷机作业状态稳定时，对准混凝土大板试模喷射，形成若干混凝土试件。

在本发明实施例中，测试各个混凝土试件的密度，所有混凝土试件的平均密度即为喷射后混凝土的密度值ρ。

S5、通过激光雷达扫描混凝土喷射后的待施工区段隧道壁，获得激光点云2；

S6、对激光点云1、激光点云2进行点云降采样后，形成激光点云3和激光点云4；

S7、基于3D reshaper分别对激光点云3、激光点云4进行建模，两个模型体积的差值即为附着到隧道壁上的喷射混凝土体积v，进而计算喷射混凝土的回弹率。

在发明实施例中，喷射混凝土的回弹率计算公式具体如下：

在本发明实施例中，针对激光点云1、激光点云2进行点云降采样，其采用相同的点云降采样方法，以激光点云1为例对点云降采样方法进行详细的说明，该方法具体如下：

1)将激光点云1中的坐标投影至世界坐标系，将隧道设计轮廓导入世界坐标；

世界坐标系是以隧道的某点构建的坐标系，也可以理解为施工坐标系。

2)读取激光点云1中所有点在世界坐标系下的坐标，遍历取激光点云1中所有点，将各个点投影至隧道设计轮廓上，第i个点P_i的投影方法具体如下：

确定点P_i在隧道设计轮廓上的投影点P_i′，获取投影点P_i′到隧道左侧拱脚的曲线长度x_i；确定点P_i的隧道里程y_i；点P_i到隧道设计轮廓面的最小距离z_i，平面图如图2所示，三维图如图3所示；

3)建立空间直角坐标系，生成点P_i的映射点Q_i，令Q_i(x_i,y_i,z_i)；遍历所有点P_i，最终形成点云Q；

4)遍历点云Q所有点Q_i(x_i,y_i,z_i)，根据z_i的统计规律确定阈值z₀，在点云Q中去除|z_i|≥z₀的点。

5)对点云Q抽稀，从而去除点云Q中的噪声点和冗余点，保留与隧道轮廓特征有关的有效点，将有效点存入数组{Q_i}。

抽稀方法采用的是论文《顾及地形特征的LIDAR点云数据抽稀算法》中的LIDAR点云数据抽稀算法。

6)从激光点云1中筛选出与数组{Q_i}各点Q_i对应的点P_i，删除其余点，获取降采样后的激光点云，即激光点云3。

本发明还提供了非接触式的喷射混凝土回弹率测试装置，该装置包括：

设于搭载有激光雷达的无人机，与激光雷达通讯连接的处理器，

在混凝土喷射前，控制无人机沿设定路线来扫描待施工区段隧道壁，获取的激光点云1，在混凝土喷射后，控制无人机沿设定路线来扫描施工区段隧道壁，获得激光点云2，将激光点云1和激光点云2发送至处理器，处理器基于上述非接触式的喷射混凝土回弹率测试方法来获取喷射混凝土的回弹率。

本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种非接触式的喷射混凝土回弹率测试方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：

S1、通过激光雷达扫描混凝土喷射前的待施工区段隧道壁，获取激光点云1；

S2进行喷射混凝土施工，同时制备密度测量试件，基于密度测量试件测量喷射后混凝土的密度值ρ；

S3、通过激光雷达扫描混凝土喷射后的待施工区段隧道壁，获得激光点云2；

S4、对激光点云1、激光点云2进行点云降采样后，形成激光点云3和激光点云4；

S5、分别对激光点云3、激光点云4进行建模，两个模型体积的差值即为附着到隧道壁上的喷射混凝土体积v，进而计算喷射混凝土的回弹率。

2.如权利要求1所述非接触式的喷射混凝土回弹率测试方法，其特征在于，激光点云1的降采样方法具体如下：

1)将激光点云1中的坐标投影至世界坐标系，将隧道设计轮廓导入世界坐标；

2)读取激光点云1中所有点在世界坐标系下的坐标，遍历取激光点云1中所有点，将各个点P_i投影至隧道设计轮廓上，获取点P_i在隧道设计轮廓上的投影点P_i′到隧道左侧拱脚的曲线长度x_i、点P_i的隧道里程y_i、点P_i到隧道设计轮廓面的最小距离z_i；

3)建立空间直角坐标系，生成点P_i的映射点Q_i(x_i,y_i,z_i)，遍历所有点P_i，最终形成点云Q；

4)遍历点云Q所有点Q_i(x_i,y_i,z_i)，在点云Q中去除z_i≥z₀的点，z₀为设定的阈值；

5)对点云Q进行抽稀，将剩余的有效点存入数组{Q_i}。

6)从激光点云1中筛选出与数组{Q_i}各点Q_i对应的点P_i，删除其余点，获取降采样后的激光点云1。

3.如权利要求1所述非接触式的喷射混凝土回弹率测试方法，其特征在于，在步骤S1之前还包括：

S1、喷射混凝土预施工：在正式施工前制备少量混凝土进行试运输和试喷射。

4.如权利要求1所述非接触式的喷射混凝土回弹率测试方法，其特征在于，密度测量试件的制备过程具体如下：

将混凝土大板试模沿待施工区段隧道侧壁倾斜靠放，在湿喷机作业状态稳定时，对准混凝土大板试模喷射，形成混凝土试件。

5.如权利要求4所述非接触式的喷射混凝土回弹率测试方法，其特征在于，混凝土大板试模为多个，沿待施工区段隧道侧壁倾斜靠放在不同的位置。

6.如权利要求5所述非接触式的喷射混凝土回弹率测试方法，其特征在于，喷射后混凝土密度值ρ确定方法具体如下：

测试各个混凝土试件的密度，所有混凝土试件的平均密度即为喷射后混凝土的密度值。

7.如权利要求1所述非接触式的喷射混凝土回弹率测试方法，其特征在于，喷射混凝土的回弹率k计算公式具体如下：

其中，m为喷射前混凝土的总质量，ρ为喷射后混凝土密度值，v为喷射混凝土体积。

8.如权利要求1所述非接触式的喷射混凝土回弹率测试方法，其特征在于，在步骤S0之前，步骤S1之后还包括如下步骤：

混凝土制备与称重，记录出站前的混凝土总质量为m。

9.一种非接触式的喷射混凝土回弹率测试装置，其特征在于，所述装置包括：

设于搭载有激光雷达的无人机，与激光雷达通讯连接的处理器；

在混凝土喷射前，控制无人机沿设定路线来扫描待施工区段隧道壁，获取的激光点云1，在混凝土喷射后，控制无人机沿设定路线来扫描施工区段隧道壁，获得激光点云2，将激光点云1和激光点云2发送至处理器，处理器基于权利要求1至8任一权利要求所述非接触式的喷射混凝土回弹率测试方法来获取喷射混凝土的回弹率。

Images